鋰基儲能材料在低碳交通中的關鍵應用

文_唐儀 鄒洪濤 沈志萌

1 黔南民族師范學院 2 湖南龍聯環?？萍加邢薰?/p>

1 選題背景

近年來世界范圍內把綠色產業當成推動當地社會經濟發展的重點產業進行重點扶持，日本、德國、美國等發達國家也不約而同地將低碳交通領域的尖端技術列入國家發展戰略方向，部分技術還被列入了禁止出口的名錄。宣傳低碳理念、打造低碳城市、發展低碳經濟是當前的必然選擇。為解決環境污染和化石燃料短缺這兩大社會十分關注的問題，可以利用鋰基儲能材料在城市公共交通動力源領域方面的相關技術發展，從汽車的動力源這一領域入手，推出新能源綠色交通工具如鋰電池電動汽車、鋰電池電動城市公交車和鋰電池電動地鐵巴士等。鋰電池是這些綠色交通工具的核心能源和動力系統，而鋰基儲能材料廣泛應用于其中，不僅緩解了能源短缺的問題還促進環境的可持續性發展，進一步提升了綠色出行裝備水平。

2 主要鋰基儲能系統的工作原理

2.1 鋰金屬電池

鋰金屬電池是用金屬單質鋰作為電極負極材料的一種儲能電池，主要以電子傳遞產生電流，比能量極高，早期分為一次性電池和可充電鋰電池，但在可充電鋰電池發生事故以后，可充電鋰電池處于停用狀態。而紐扣電池等一次性鋰金屬電池是不可充電的，存在成本高和環境污染等問題。近年來，隨著人們對高能量密度電池的需求，我國開始投入到鋰金屬電池的研究當中。隨著技術的發展，鋰金屬電池以其工藝簡單、造價較低和能量密度大等優點，正逐漸發展成為現有以鋰離子電池為主的高能量密度儲能體系的重要補充。

鋰金屬電池的儲放電功能的實現，在電解液的作用下形成電勢差，作為陰極的金屬鋰失電子，而其他無機或者有機化合物作為陽極獲得電子，進而形成電流。

2.2 鋰離子電池

鋰離子電池是由鋰金屬電池演化而來，以鋰合金金屬氧化物作為負極材料，而正極材料通常為化學性能穩定的石墨，使用非水電解質的一種電池。經過數十年發展，鋰離子電池的性能已經得到了普遍提高，成為生產生活中最主要的化學電能供給形式。其中，負極材料對鋰離子電池的性能起決定作用。鋰離子電池具有循環壽命高、比能量大、自放電小、電壓高等特點，故應用廣泛。市面上的鋰離子蓄電池，不僅性能良好，而且最重要的是綠色環保。當前，社會對高效能電源的需求急劇增長，鋰離子電池已成為主力軍。

鋰離子電池主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作，通常稱為“二次電池”。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌。充電時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態；放電時則相反。鋰離子處于從正極→負極→正極的運動狀態，這就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就在搖椅兩端來回運動，所以鋰離子電池又叫搖椅式電池。

2.3 鋰聚合物電池

鋰離子聚合物電池是由鋰離子電池演化而來，鋰聚電池和鋰離子電池最大的差異是電解質不同，是一種化學性質的電池。具有能量高、小型化、輕量化的特點。在快充電技術快速發展的時代，相對鋰離子電池來說，鋰聚合物電池更為安全和耐用性高，而缺點是其充電電容量較小。鋰聚合物電池在高端和中端設備中得以廣泛應用，在智能手機行業正在慢慢取代鋰離子電池。

鋰聚合物電池有液態鋰離子電池（LIB）和鋰聚合物電池（PLIB）兩類。其中，液態鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正、負極的二次電池。正極采用鋰化合物LiCoO2，LiNiO2或LiMn2O4等材料的方案市場化程度較高，應用最為普遍；而負極采用鋰-碳層間化合物LixC6。

典型的鋰聚合物電池釋放電能化學反應體系詳見圖1。

圖1 鋰聚合物電池放電時化學反應過程示意圖

3 鋰基儲能材料在低碳交通中的應用

3.1 綠色出行方式的推廣和普及

綠色出行是指采取相對環保的出行方式，通過碳減排和碳中和實現環境資源的可持續利用和交通的可持續發展。要想倡導低碳理念，離不開綠色出行方式。汽車的發明帶來了出行的高效和便捷，但同時也產生了環境污染和能源消耗問題。汽車是二氧化碳主要的排放源之一，全球交通耗能常年僅次于工業用能，增長速度居各行業之首。一輛公共汽車約占用3 輛小汽車的道路空間，而高峰期的運載能力是小汽車的數十倍。它既減少了人均乘車排污率，也提高了城市效率。而地鐵的運客量是公交車的7 ～10 倍，耗能和污染更低。因此，要從路程、經濟、便捷、時間等多個維度考慮，綠色出行是解決環保、交通等多項社會熱點問題的有效途徑。

中國向世界承諾二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和。碳中和意味著在2060年以前，燃油車輛將被電動汽車或氫燃料汽車全面以代之，電力驅動型汽車逐漸替代傳統化石燃料汽車已成為不可逆轉的趨勢。在綠色出行方式的推廣和普及上，要大力推進綠色車輛規模化應用，加快充電基礎設施建設，構建便利高效、適度超前的充電網絡體系建設，大力培育綠色出行文化，進行綠色出行宣傳和開展“無車日”活動。

3.2 鋰電池成為新能源交通工具的核心能源

3.2.1 鋰電池電動私人汽車

鋰電池電動汽車是指以動力電池作為汽車的核心部件和主要驅動力的機動車輛，常被稱為新能源汽車，普遍采用高性能、循環壽命長、成本低的鋰離子電池。面對日趨嚴峻的能源形勢和巨大的減排壓力，節能環保的新能源汽車代替傳統燃油汽車是必然發展趨勢。在國家政策的支持下，我國新能源汽車產量快速增長，未來我國將成為全球最大電動汽車及動力電池消費市場。鋰離子電池以其優異的電性能、無環境污染等優點，是公認的最具發展潛力的電動汽車用動力電池，未來具有廣闊的市場應用前景。2020 世界新能源汽車大會指出，新能源汽車產業正進入加速發展的新階段，不僅為各國經濟增長注入強勁新動能，也有助于減少溫室氣體排放，集聚全球智慧和力量，加速突破新能源汽車市場化障礙，加快推進“電動化、智能化、共享化”融合發展。

3.2.2 鋰電池電動公交車

公交系統作為城市交通中使用最為普遍的交通工具，也是城市空氣污染的重要來源。在此背景下，隨著化石燃料存儲量的日漸衰竭和世界各國節能減排戰略的提出，電力驅動型汽車正逐漸替代傳統化石燃料汽車進入市場，而電力驅動型公交車也日漸成為新型公交車的發展趨勢。

3.2.3 鋰電池兩輪電動車

為規范電動自行車和電動摩托車的生產和使用,中央及地方各級政府部門專門發布了《電動自行車安全技術規范》（GB17761-2018）（一般稱為“新國標”）和《電動摩托車和電動輕便摩托車通用技術條件》（GB/T24158-2018）等多項法律規章。根據《新國標》技術規范，兩輪電動車可劃分為三類：電動自行車、電動輕便摩托車、電動摩托車。

2020 年，中國兩輪電動車銷量達4760 萬輛，根據《新國標》的規定，從過渡期之后的2021 年開始，超標兩輪電動車開始集中清退，為此主要生產廠商集中到了雅迪、愛瑪、小刀等頭部企業，各符合新國標要求的生產優勢方紛紛制定了兩輪電動車巨量銷量目標，也推動了高性能鋰電池的普及和應用。同時，共享電動自行車團體運營政策，也為兩輪電動自行車共享出行提供了更穩定的發展環境。

3.3 鋰基材料儲能電站為低碳交通提供新型儲能解決方案

3.3.1 大型電網儲能系統在低碳交通中的保障作用

儲能是解決新能源風電、光伏間歇波動性，實現“削峰平谷”功能的重要手段之一，在大型電網儲能系統儲能領域作為鋰離子電池新興應用場景也越來越受到重視。中國光伏裝機容量、年發電總量居世界首位，而鋰電儲能在可再生能源并網、用戶側、電網側以及輔助服務四個最重要的領域發揮著更重要的作用，目前商業化程度較高的鋰離子電池儲能電站應用場景主要包括儲能應急電源車、儲能固定電站和通信備用電源。

3.3.2 鋰基材料儲能電站的基本技術方案及相對優勢

應急鋰電儲能車或兆瓦級鋰基材料固定儲能電站的工作原理都是通過逆變器將大功率的鋰離子電池組直接轉為單相、三相交流電。平時只需自由選擇充電時段對電池組充電，當鋰離子電池組充滿電后，可隨時調用。儲能電池是太陽能光伏發電系統不可缺少存儲能電能部件，其重要功能是存儲光伏發電系統的電能，并在日照量不足，夜間以及應急狀態下為負載供電。

（1）鋰基材料儲能電站基本工作原理

充電。應急鋰電儲能車或兆瓦級固定儲能電站，快慢速充電方式是通過選擇不同的充電電流，控制充電時間的長短。當智能化管理系統監控檢測到任何一個單體鋰離子電池電壓達到設定值時，則自動終止對電池組充電。

放電。一般是根據用戶要求設置應急儲能車或兆瓦級固定儲能電站專門設計大功率三相輸出接口和常規單相輸出插口兩種。

（2）鋰基材料儲能電站基本技術方案及相對優勢

儲能應急電源車由鋰離子電池組、逆變器、電池管理系統等組成，平時只需自由選擇單相或三相交流電對電池組充電，當電池組充滿電后，可在一年內隨時調用。常見的100kW、1000kW、5000kW、兆瓦級移動式應急儲能車可用于國防軍事領域、民用救災搶險或大型公共活動場所供電。

儲能固定電站一般由鋰離子電池組及BMS 管理系統、PCS 變流系統、EMS 能量監控系統、輔助系統（包括溫控、消防等）組成。儲能電站結合新能源發電系統，成為獨立微電網的分布式電源。適用于無電、缺電地區供應可靠電源，也可以為大電網供應移峰填谷和調峰調頻服務，電池儲能電站可與分布/集中式新能源發電聯合應用，是解決新能源發電并網問題的有效途徑之一，將隨著新能源發電規模的日益增大以及鋰離子電池儲能技術的不斷發展，成為支撐我國清潔能源發展戰略的重大關鍵技術。

（3）通信備用電源

通信備電的市場重要包括兩部分，一是新建基站的儲能構成每年市場的增量；二是存量基站電池的到期替換構成每年市場的基礎量。

中國鐵塔公司宣布自2018 年起不再采購鉛酸，考慮到梯次電池規模不足以滿足，因此在2020 年前后會有一波鋰電采購替換的需求集中出現。再加上每新建5 ～10 萬個基站，將帶來1.2 ～2.4GWh 的鋰基材料儲電需求，合計將有每年10GWh 左右的電池需求，由鐵鋰離子電池和梯次利用電池滿足。

3.3.3 鋰基材料儲能電站的技術發展和市場展望

到2020 年中國對于動力鋰離子電池能量密度的指標是300Wh/kg，隨著國家補貼的退坡，鋰基材料儲能電站將面臨新一輪技術快速變革。

正極材料方面，新一代高比能鋰離子電池正極材料的研發重點放在了富鋰錳基材料方面，鋰硫電池正極利用雙“費歇爾酯化”的模塊組裝方法，將分散的導電碳組裝為橢球型的微米超結構，電池能量密度達到545Wh/kg；新型負極材料方面，技術主攻方向為無黏結劑電極，通過提供更多電化學位點來提高電極比容量；安全性方面，研制出溫度敏感電極、陶瓷高強隔膜、安全電解質等顯著提高了電池的本征安全性。還研制出基于納米TiO2與離子液體的新一代凝膠固態電解質，具有高室溫電導率與顯著的安全性（1300℃/60s不燃）；回收再生和再利用方面，天然有機酸綠色高效回收技術，鈷、鋰、鎳的浸取率達到92%以上，廢舊電池的負極，由于碳價格不高，轉而主攻做成了碳吸附劑，可以用來吸附磷，回收材質含磷量高達588mg/g。